專利名稱：工件表面形貌精密測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)非接觸測(cè)量裝置，具體地說(shuō)涉及的是一種光柵調(diào)制 光纖干涉條紋相位式工件表面形貌測(cè)量裝置。本發(fā)明還涉及一種采用該測(cè)量裝置 的測(cè)量方法。(二) 背景技術(shù)精密表面形貌測(cè)量技術(shù)是用來(lái)精確地測(cè)量各種精密加工物體表面形貌。例 如，光學(xué)器件表面，精密切割表面，各種研磨和拋光表面以及其它有微小表面變 形的物體。它可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。非接觸式測(cè)量多以光學(xué)測(cè)量為 主，傳統(tǒng)的方法測(cè)量物體輪廓的連續(xù)表面或階梯表面，例如，單波長(zhǎng)干涉技術(shù)、 雙波長(zhǎng)干涉技術(shù)、條紋投射干涉技術(shù)、摩爾條紋法等。盡管這類測(cè)量被研究多年，' 提出很多的原理和方法，但是仍有很多不完備之處。單波長(zhǎng)干涉儀可用來(lái)測(cè)量光滑連續(xù)表面，要求兩個(gè)被測(cè)點(diǎn)之間光程差變化小 于半個(gè)波長(zhǎng)。這種干涉測(cè)量?jī)x的代表為泰曼-格林干涉儀。在這種方法中，干涉 條紋是由物體表面的物光波和參考光波光程差產(chǎn)生的。干涉條紋的光強(qiáng)分布可以 由公式表達(dá)<formula>formula see original document page 4</formula>其中X為光源的波長(zhǎng)，r(x)代表物體被測(cè)量表面，A、 B是與光強(qiáng)相關(guān)的常量。 a(x)為相位，可以通過(guò)正弦相位調(diào)制的方法得到。由公式可以看出測(cè)量的結(jié)果將 會(huì)隨著光源波長(zhǎng)的波動(dòng)而變化，由此引起較大的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。雙波長(zhǎng)干涉儀用于測(cè)量光程差大于半個(gè)波長(zhǎng)的物體輪廓表面。在雙波長(zhǎng)干涉 儀中，兩個(gè)光源的波長(zhǎng)合成了新的波長(zhǎng)大于任意一個(gè)單波長(zhǎng)。實(shí)際上，雙波長(zhǎng)干 涉儀更適于測(cè)量有一定高度差的階梯表面。例如，雙波長(zhǎng)泰曼-格林干涉儀。<formula>formula see original document page 5</formula>根據(jù)干涉條紋的光強(qiáng)測(cè)量公式可以看出，階梯表面的高度差A(yù)h與光源的波 長(zhǎng)入1與X2相關(guān)。測(cè)量結(jié)果同樣也會(huì)隨著光源的波動(dòng)而變化，導(dǎo)致較大的系統(tǒng)誤 差和隨機(jī)誤差。條紋投射方法(或光柵干涉儀)，投射相同的空間條紋于被測(cè)物體輪廓表面，并在另一個(gè)方向接收。條紋投射的方法更適用于有較大凹凸的非光學(xué)表面或散射表面。如果表面凹凸很小，需要增加投射條紋的數(shù)量來(lái)提高測(cè)量的精度。當(dāng)在CCD傳感器上接收的空間條紋間距小于CCD的像素間距時(shí)，測(cè)量將無(wú)法進(jìn)行。<formula>formula see original document page 5</formula>先前的技術(shù)1，例如日本Niigata University大學(xué)Osami Sasaki, Kazuhide Takahashi，( "Sinusoidal 'phase modulating interferometer using optical fibers for displacement measurement" , Applied Optics, October, 1988, Vol.27， No. 19 )給出了一種正弦相位光纖式干涉儀，該測(cè)量方法將壓電陶瓷固定在光纖出射端上，配合 聚焦透鏡，根據(jù)返回的反射光用光電探測(cè)器測(cè)量物體表面高度r(t)，其原理等同 于邁克爾遜干涉儀，也可以采用雙通道模式測(cè)量物體表面階梯高度。該測(cè)量方法 的缺點(diǎn)是，(1)盡管可以采用雙通道或者多通道測(cè)量的模式，但是由于壓電陶瓷 振動(dòng)方向與測(cè)量光程在同一方向上，因此限制了該方法的測(cè)量量程，只適宜于單 點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量速度慢。(2)該方法無(wú)法克服光源波長(zhǎng)的漂移，當(dāng)激光光源波長(zhǎng)波 動(dòng)時(shí)，不可避免的要帶來(lái)系統(tǒng)誤差。(3)與二維CCD圖像傳感測(cè)量方法比，無(wú)法直接測(cè)量二維圖像，相比之下測(cè)量范圍很小。先前的技術(shù)2，例如日本Niigata University大學(xué)Yande Xu, ( "Sinusoidal phase modulating two-grating surface profile measuring instrument" ， Opt.Eng.43(11) 2499-2500(November 2004))給出了一種雙光柵正弦相位式干涉儀用于測(cè)量物體 表面輪廓，該方法采用了光柵的(+1， 0)、 (0， +1)級(jí)衍射光形成干涉條紋，用 CCD圖像傳感器接收干涉條紋圖像，其中一個(gè)光柵連接壓電陶瓷，另一個(gè)光柵 連接探針置于被測(cè)量物體表面上。當(dāng)壓電陶瓷振動(dòng)時(shí)，CCD圖像傳感器接收干 涉條紋圖像相位相應(yīng)變化，用正弦相位方法檢測(cè)圖像相位，實(shí)現(xiàn)物體表面輪廓測(cè) 量。該測(cè)量方法的缺點(diǎn)是，(1)利用了探針實(shí)現(xiàn)物體表面的接觸性測(cè)量，但接觸 性測(cè)量的缺點(diǎn)在于可能劃傷或者破壞被測(cè)量物體表面，造成無(wú)法恢復(fù)的損傷。(2) 接觸式探針用于精密表面測(cè)量時(shí)，其使用與標(biāo)定非常困難。先前的技術(shù)3，例如中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所何國(guó)田、王向朝(發(fā) 明專利公開(kāi)號(hào)CN101033938A，"實(shí)時(shí)測(cè)量表面形貌的正弦相位調(diào)制干涉儀") 給出了一種實(shí)時(shí)測(cè)量表面形貌的正弦相位調(diào)制干涉儀，該測(cè)量方法在光學(xué)設(shè)計(jì)上 采用了泰曼-格林干涉儀形式，利用實(shí)時(shí)相位探測(cè)電路、實(shí)時(shí)鑒相電路與同步電 路等。該測(cè)量方法采用了相位補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量范圍達(dá)到一個(gè)波長(zhǎng)，測(cè)量分辨率達(dá) 到0.62nm，能夠消除半導(dǎo)體光源波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。該測(cè)量方法的缺點(diǎn)是， 采用了泰曼-格林干涉儀的光路設(shè)計(jì)，測(cè)量范圍僅能達(dá)到一個(gè)波長(zhǎng)，因此測(cè)量量 程范圍小。(2)當(dāng)采用二維光電探測(cè)器測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量量程小，對(duì)超出量程測(cè) 量范圍的二維物體表面需要附加機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)得到整個(gè)被測(cè)量物體表面輪廓， 因此測(cè)量速度慢。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以克服光源光強(qiáng)和波長(zhǎng)的波動(dòng)對(duì)物體表面輪 廓精密測(cè)量的影響，并實(shí)現(xiàn)大量程、高精度、非接觸測(cè)量的特點(diǎn)的工件表面形貌 精密測(cè)量裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于本發(fā)明的工件表面形貌精密測(cè) 量裝置的測(cè)量方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的工件表面形貌精密測(cè)量裝置的組成包括激光器1、光柵2、壓電陶 瓷3、信號(hào)發(fā)生器4、聚焦透鏡5、光纖連接器6、光纖7、 CCD探測(cè)器9和計(jì)算機(jī)10，激光器1位于光柵2前，壓電陶瓷3安裝在光柵2—側(cè)，信號(hào)發(fā)生器4 通過(guò)導(dǎo)線與壓電陶瓷3相連，兩個(gè)聚焦透鏡5位于光柵2后，激光器出射光經(jīng)過(guò) 光柵后產(chǎn)生多級(jí)衍射光，將其±1級(jí)衍射光斑經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合入兩根光纖7中， 光纖7的出射端形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源投射到被測(cè)物8上，CCD探測(cè)器9采集工 件表面的圖像并輸入計(jì)算機(jī)10?；诒景l(fā)明的工件表面形貌精密測(cè)量裝置的測(cè)量方法為 激光器出射光經(jīng)過(guò)光柵后產(chǎn)生多級(jí)衍射光，將其±1級(jí)衍射光斑經(jīng)過(guò)聚焦透 鏡耦合入兩根光纖之中，在光纖的出射端形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源；兩個(gè)光纖點(diǎn)光源 發(fā)出的光束具有相同的光強(qiáng)，從而獲得高對(duì)比度的干涉條紋，投射在工件上；當(dāng) 壓電陶瓷帶動(dòng)光柵做正弦振動(dòng)時(shí)，耦合入兩根光纖中的±1級(jí)衍射光斑的位置不 變而出射端兩個(gè)光纖點(diǎn)光源產(chǎn)生的干涉條紋相位相應(yīng)發(fā)生周期性變化；由高速 CCD圖像傳感器采集工件表面的干涉條紋圖像，用正弦相位算法精確的測(cè)量出干 涉條紋圖像的相位變化。本發(fā)明所具備的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是 (1 )將光柵出射的± 1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合入兩根參數(shù)相同的單模光 纖之中，在光纖出射端形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源。由于光路相同，所以兩個(gè)相干光纖 點(diǎn)光源具有相同的光強(qiáng)度，從而獲得高對(duì)比度的干涉條紋。(2) 千涉條紋投射在被測(cè)量物體表面，其量程范圍可達(dá)直徑30mm，實(shí)現(xiàn) 了大量程的非接觸式測(cè)量。(3) 壓電陶瓷帶動(dòng)光柵做正弦振動(dòng)時(shí)干涉條紋的相位變化，由于采用了光 柵的士l級(jí)衍射光，可以克服光源光強(qiáng)和波長(zhǎng)的波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)用 正弦相位調(diào)制解調(diào)方法檢測(cè)干涉條紋圖像相位，測(cè)量精度高。(四)


附圖是本發(fā)明的工件表面形貌精密測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合附圖，本發(fā)明的工件表面形貌精密測(cè)量裝置的組成包括激光器l、光柵 2、壓電陶瓷3、信號(hào)發(fā)生器4、聚焦透鏡5、光纖連接器6、光纖7、 CCD探測(cè) 器9和計(jì)算機(jī)10，激光器1位于光柵2前，壓電陶瓷3安裝在光柵2—側(cè)，信號(hào)發(fā)生器4通過(guò)導(dǎo)線與壓電陶瓷3相連，兩個(gè)聚焦透鏡5位于光柵2后，激光器 出射光經(jīng)過(guò)光柵后產(chǎn)生多級(jí)衍射光，將其±1級(jí)衍射光斑經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合入兩 根光纖7中，光纖7的出射端形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源投射到被測(cè)物8上，CCD探 測(cè)器9采集工件表面的圖像并輸入計(jì)算機(jī)10。本發(fā)明方法的基本原理是正弦相位調(diào)制干涉條紋的檢測(cè)原理。如圖1所示的 測(cè)量裝置，由He-Ne激光器1發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)黑白光柵2被衍射為多級(jí)衍射光。 將其中±1級(jí)衍射光斑經(jīng)過(guò)聚焦透鏡5耦合入兩根參數(shù)相同的單模光纖7之中。 在兩根光纖的出射端形成兩個(gè)相干光纖點(diǎn)光源，產(chǎn)生干涉條紋，投射在被測(cè)量工 件8表面上。被調(diào)制的干涉條紋由CCD探測(cè)器9傳入計(jì)算機(jī)10。經(jīng)過(guò)相位解調(diào)得到被測(cè)量物體表面的輪廓信息。黑白光柵2其傳遞函數(shù)的指數(shù)型傅立葉表達(dá)形式為<formula>formula see original document page 8</formula> 其中a,P分別為黑白光柵透光與不透光部分。相干光經(jīng)過(guò)黑白光柵后其所有的多級(jí)衍射光復(fù)振幅表達(dá)式為<formula>formula see original document page 8</formula> 黑白光柵的+1， -l級(jí)衍射光的復(fù)振幅表達(dá)式為-<formula>formula see original document page 8</formula> 當(dāng)+1， -1級(jí)衍射光斑經(jīng)光纖7后形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源，其干涉條紋光強(qiáng)度 表達(dá)式如下<formula>formula see original document page 8</formula>其中^與B可以看成是與干涉條紋無(wú)關(guān)的常量。當(dāng)黑白光柵2在乂方向有一個(gè)位移/時(shí)，黑白光柵傳遞函數(shù)表達(dá)式，(+1， -1 )級(jí)衍射光的復(fù)振幅表達(dá)式及干涉條紋光強(qiáng)的表達(dá)式相應(yīng)變化為將黑白光柵2連接壓電陶瓷3，由信號(hào)發(fā)生器4帶動(dòng)產(chǎn)生微小的正弦振動(dòng) A 二acos^。f +力時(shí)，(+1， -1)級(jí)衍射光斑位置不變因此可以耦合入光纖中。在光纖出射端產(chǎn)生干涉條紋，投射在被測(cè)量物體輪廓表面上，干涉條紋相位跟隨壓電陶瓷周期性振動(dòng)。在CCD探測(cè)器9上接收到含有被測(cè)量物體表面信息的被調(diào) 制干涉條紋并傳遞到計(jì)算機(jī)10。采用正弦相位調(diào)制算法解出相位值oc，換算成物 體表面光程信息，從而可以得到被測(cè)量物體表面的輪廓信息。被調(diào)制干涉條紋相位的正弦相位調(diào)制、解調(diào)計(jì)算方法如下<formula>formula see original document page 9</formula>l + cosoc '〗 /。 (z) + 2^c/2m (z)(—l)m cos[2/w((0(Z + Q)]I w+ sina'<J2Zl/2m_1(z)(—l)mcos[(2w —1)(G)(Z + Q)]1=C1 + coscc-1)"+ sm oc'exp ( y'2附Q) exp ( y'2mc0(/) + exp(—y2附0)exp(—y'2附c0(/)l;"z)(—i)mm=lexp (2w -1) exp [y' (2w — 1) 0/]+ exp [—_/ (2w -1) e] exp [—y (2w — 1) oy] (17)其中^是m階貝塞爾函數(shù)，取上式的傅立葉變換可得S(co) + cosct. j /。 (z)+) + l^h (z)(-l)"1 4+ sinoc」|^2m—^)(-1)、其中:+exp (—/2附6) 5 ( + 2附a)。) & =exp[y(2m-l)e]5[co —(2m —l)(o0]+ exp [-_/— 1) 0] 5 [co + (2m — 1) co0 ]當(dāng)①二2mco。和 co = (2m — l)co。時(shí)，<formula>formula see original document page 11</formula>取w = 1和m = 2 ,得離散傅立葉變換計(jì)算式<formula>formula see original document page 11</formula>可以通過(guò)離散傅立葉變換計(jì)算式，從而得到z,e，a。<formula>formula see original document page 11</formula>其中Re[F(co。;)]是尸(co。)的實(shí)部。本實(shí)例采用激光器l的波長(zhǎng)為632.8nm，黑白光柵2的光柵常數(shù)為25L/mm，信號(hào)發(fā)生器4帶動(dòng)光柵振動(dòng)頻率為《。/2冗=125/^， 64位采樣數(shù)據(jù)，高速CCD傳感器分辨率為640*480、 210禎/秒、像元尺寸7. 4 y m*7. 4 y m，測(cè)量裝置的量 程范圍30mm，物體表面高度測(cè)量范圍為100pm，測(cè)量精度為1 U m。
權(quán)利要求
1、一種工件表面形貌精密測(cè)量裝置，其組成包括激光器(1)、光柵(2)、壓電陶瓷(3)、信號(hào)發(fā)生器(4)、聚焦透鏡(5)、光纖連接器(6)、光纖(7)、CCD探測(cè)器(9)和計(jì)算機(jī)(10)，其特征是激光器(1)位于光柵(2)前，壓電陶瓷(3)安裝在光柵(2)一側(cè)，信號(hào)發(fā)生器(4)通過(guò)導(dǎo)線與壓電陶瓷(3)相連，兩個(gè)聚焦透鏡(5)位于光柵(2)后，激光器出射光經(jīng)過(guò)光柵后產(chǎn)生多級(jí)衍射光，將其±1級(jí)衍射光斑經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合入兩根光纖(7)中，光纖(7)的出射端形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源投射到被測(cè)物(8)上，CCD探測(cè)器(9)采集工件表面的圖像并輸入計(jì)算機(jī)(10)。
2、 一種基于工件表面形貌精密測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征是激光器出 射光經(jīng)過(guò)光柵后產(chǎn)生多級(jí)衍射光，將其±1級(jí)衍射光斑經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合入兩根 光纖之中，在光纖的出射端形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源；兩個(gè)光纖點(diǎn)光源發(fā)出的光束 具有相同的光強(qiáng)，從而獲得高對(duì)比度的干涉條紋，投射在工件上；當(dāng)壓電陶瓷 帶動(dòng)光柵做正弦振動(dòng)時(shí)，耦合入兩根光纖中的±1級(jí)衍射光斑的位置不變而出射 端兩個(gè)光纖點(diǎn)光源產(chǎn)生的干涉條紋相位相應(yīng)發(fā)生周期性變化；由高速CCD圖像 傳感器采集工件表面的干涉條紋圖像，用正弦相位算法精確的測(cè)量出干涉條紋 圖像的相位變化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于工件表面形貌精密測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其 特征是所述的光柵是黑白光柵，其傳遞函數(shù)的指數(shù)型傅立葉表達(dá)形式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中尸分別為黑白光柵透光與不透光部分。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于工件表面形貌精密測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征是所述的激光器出射光經(jīng)過(guò)光柵后產(chǎn)生多級(jí)衍射光的復(fù)振幅表達(dá)式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 3</formula>黑白光柵的+1， -l級(jí)衍射光的復(fù)振幅表達(dá)式為<formula>formula see original document page 3</formula>當(dāng)+1， _1級(jí)衍射光斑經(jīng)光纖7后形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源，其干涉條紋光強(qiáng)度 表達(dá)式如下<formula>formula see original document page 3</formula>其中^與5可以看成是與干涉條紋無(wú)關(guān)的常量；當(dāng)黑白光柵2在X方向有一個(gè)位移/時(shí)，黑白光柵傳遞函數(shù)表達(dá)式，(+ 1， -l )級(jí)衍射光的復(fù)振幅表達(dá)式及干涉條紋光強(qiáng)的表達(dá)式相應(yīng)變化為<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于工件表面形貌精密測(cè)量裝置及測(cè)量方法。激光器出射光經(jīng)過(guò)光柵后產(chǎn)生多級(jí)衍射光，將其±1級(jí)衍射光斑經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合入兩根光纖之中，在光纖的出射端形成兩個(gè)相干點(diǎn)光源；兩個(gè)光纖點(diǎn)光源發(fā)出的光束具有相同的光強(qiáng)，從而獲得高對(duì)比度的干涉條紋，投射在工件上；當(dāng)壓電陶瓷帶動(dòng)光柵做正弦振動(dòng)時(shí)，耦合入兩根光纖中的±1級(jí)衍射光斑的位置不變而出射端兩個(gè)光纖點(diǎn)光源產(chǎn)生的干涉條紋相位相應(yīng)發(fā)生周期性變化；由高速CCD圖像傳感器采集工件表面的干涉條紋圖像，用正弦相位算法精確的測(cè)量出干涉條紋圖像的相位變化。本發(fā)明可以克服光源光強(qiáng)和波長(zhǎng)的波動(dòng)對(duì)物體表面輪廓精密測(cè)量的影響，并實(shí)現(xiàn)大量程、高精度、非接觸測(cè)量的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/25GK101403608SQ20081013751
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者徐彥德, 強(qiáng) 戴 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)